Os carros elétricos (VEs) podem acabar em breve enfrentando um tipo distinto de impasse? Com a aceleração da eletrificação da mobilidade, produtores e distribuidores de energia precisam entender o impacto potencial dos VEs na demanda por energia (Quadro 1). Mas há uma boa notícia: uma análise da McKinsey sugere que o crescimento projetado da e-mobilidade não levará a aumentos significativos da demanda total por energia elétrica nos curto e médio prazos – limitando, assim, a necessidade de capacidade adicional de geração de eletricidade nesse período.
Se utilizarmos informações relacionadas à Alemanha como exemplo, podemos concluir que o crescimento de VEs não deverá causar grandes aumentos na demanda por energia até 2030; ao contrário, tal crescimento pode incrementar em cerca de 1% a demanda total, exigindo aproximadamente cinco gigawatts (GW) adicionais de capacidade de geração. Este volume pode ser ampliado para 4% até 2050, exigindo uma capacidade adicional de cerca de 20 GW. É provável que praticamente toda essa capacidade nova venha a envolver fontes renováveis de energia, incluindo energia solar e eólica, com algum nível de geração de energia via gás.
Mudando a forma da curva de carga de eletricidade
Ainda que o aumento nas vendas de carros elétricos não deva gerar um crescimento expressivo na demanda total por energia, é provável que ela venha a mudar o formato da curva de carga de eletricidade. O efeito mais pronunciado será um aumento nos picos de carga à noite, quando as pessoas plugarem seus VEs para recarga ao voltar para casa depois de sair do trabalho ou após seus afazeres do dia. No entanto, em termos de nível de sistema, esse efeito deverá equivaler a um percentual bastante pequeno. Novamente, tomando a Alemanha como exemplo, esperamos um aumento no pico de carga de aproximadamente 1% até 2030 e de cerca de 5% até 2050 – aumentos estes que o sistema provavelmente será capaz de absorver.
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No entanto, a mudança na curva de carga trará desafios em nível local, uma vez que a distribuição regional de carros elétricos deverá variar – em alguns casos, de forma substancial. A McKinsey realizou análises georreferenciadas para ter uma previsão da penetração em um nível mais micro, via códigos de endereçamento postal (CEPs). Estas análises mostraram que áreas de subúrbio deverão se tornar hot spots, com a adoção antecipada de VEs. Desta forma, mesmo com níveis nacionais de penetração de carros elétricos ainda baixos, é provável que surjam bolsões locais com um grande número de VEs (Quadro 2).
Esses hot spots residenciais, bem como outros pontos de concentração de carregamento de VEs – tais como estações públicas de carregamento rápido e garagens de veículos comerciais – terão aumentos substanciais nos picos de carga locais. Para prever mudanças na curva de carga em áreas residenciais, a McKinsey conduziu uma análise de Monte Carlo.1 Para um circuito alimentador residencial típico com 150 residências e um nível de penetração de VEs local de 25%, a análise indicou que o pico de carga local sofreria um aumento de cerca de 30% (Quadro 3).
Embora significativo, o crescimento do pico de carga em áreas residenciais não é tão dramático como algumas pessoas pensam. Isto ocorre porque, ainda que um único carro elétrico possa facilmente dobrar o consumo de pico de uma residência individual, a agregação de muitas residências (umas com e outras sem VEs) reduz o aumento relativo do pico de carga em uma subestação, mesmo considerando os efeitos de dias excepcionais de grande pico. O Quadro 3 ilustra tanto a demanda por eletricidade de VEs no pico máximo, como a média experimentada por uma subestação residencial normal, assumindo que não haja nenhum carregamento atrasado ou inteligente (ou seja, gerenciado por uma central).
Além dos aumentos nos picos de carga, também será necessário equilibrar as estações públicas de carregamento rápido, que possuem um perfil de carga altamente volátil e com pontos muito fora da curva. Simulamos o perfil de carga de uma estação de carregamento rápido para explorar esta situação em maiores detalhes (Quadro 4). Neste caso, uma única estação de carregamento rápido pode celeremente exceder a capacidade de carga em momento de pico de um transformador de circuito alimentador típico.
Se não houver um gerenciamento adequado, os aumentos nos picos de carga em subestações, decorrentes da demanda por carregamento para VEs, levará os transformadores locais a excederem sua capacidade, exigindo melhorias. A combinação de dados sobre distribuição da penetração de VEs por CEP, oriundos das análises georreferenciadas da McKinsey, com dados sobre a utilização atual dos transformadores mostra que as exigências de gastos de capital como função da penetração de VEs em nível nacional segue um padrão de curva S. Em outras palavras, embora as necessidades de investimento exijam poucas atualizações quando a penetração de carros elétricos é baixa, tais necessidades aumentam rapidamente com o crescimento do número de VEs, para finalmente estabilizar mais uma vez com altos níveis de penetração. Sem ações corretivas, estimamos que a necessidade cumulativa de investimento na rede poderá ultrapassar centenas de euros por VE.
Explorando soluções em potencial
Empresas de energia possuem várias formas de lidar com essa situação. Elas podem influenciar o comportamento de carregamento: por exemplo, por meio da diferenciação de tarifas de eletricidade de acordo com o horário de uso, elas podem dar incentivos aos donos de carros elétricos para que façam recargas após a meia-noite, em vez de recarregarem mais cedo, no início da noite. Análises mostram que isso poderia reduzir pela metade o aumento de picos de carga (Quadro 5). Fáceis de implementar e com eficácia comprovada nos testes, tarifas por horário de uso precisam ser monitoradas, pois podem resultar em “picos de timer”, quando muitas pessoas inadvertidamente definem seus carregadores para iniciar o carregamento ao mesmo tempo.
Alternativamente, as empresas de energia podem empregar soluções mais locais, como colocar uma unidade de armazenagem de energia junto ao transformador, que recarrega a unidade durante momentos de baixa demanda. A unidade de armazenagem pode, então, descarregar nos momentos de pico da demanda, reduzindo o pico de carga. Outra opção poderia ser o uso de uma pequena usina de cogeração de calor e eletricidade, que poderia ser uma solução atrativa se o calor gerado pudesse ser utilizado localmente (por exemplo, aquecendo um armazém enquanto carrega uma frota de vans utilizadas para a entrega de produtos).
Com a diminuição contínua e acelerada do custo das baterias, o uso de armazenagem de energia para equilibrar os perfis de carga passará a ser cada vez mais atrativo. Outras aplicações incluem carregadores públicos rápidos, carregadores de garagens para caminhões e ônibus elétricos e instalações residenciais onde mais donos de carros elétricos possam combinar armazenagem doméstica e painéis solares nos telhados. Muitos fatores podem alavancar o caso de negócios para a instalação de armazenagem de energia – incluindo a redução nos picos de carga para diminuir cobranças pela demanda (tarifas adicionais com base nos picos de carga) e evitar a necessidade de melhoria da rede, bem como o aproveitamento de preços mais baixos de energia em certos horários (carregando a bateria quando os preços de energia são menores). Usuários de energia também têm a possibilidade de buscar serem compensados pela oferta de serviços flexíveis.
Ainda que alguns investimentos no aprimoramento da rede ou em soluções alternativas sejam inevitáveis, as empresas podem reduzi-los substancialmente se atacarem as causas-raiz do problema. Um exemplo disto envolve evitar totalmente os aumentos nos picos de carga por meio da mudança nas cargas de carregamento de carros elétricos. Insights preliminares sobre o comportamento de carregamento e os padrões de direção e estacionamento de donos de carros elétricos sugerem que, por uma parcela significativa de tempo, os carros elétricos permanecem conectados à rede sem estarem ativamente recarregando. Esta parcela pode variar de mais de 80% do tempo em carregamentos residenciais privados de VEs a cerca de 25% em carregamentos públicos. Se considerarmos uma perspectiva de sistema, tal situação mostra haver um potencial de deslocamento da carga de carregamento que pode otimizar os horários e a velocidade de carregamento e, assim, tornar todo o processo de carregamento mais inteligente.
Influenciando de modo inteligente o comportamento de carregamento como forma de criar valor
Influenciar de forma inteligente e com coordenação central o comportamento das pessoas no carregamento de seus carros elétricos pode criar valor de diferentes maneiras. Em primeiro lugar, isto poderia permitir uma redução nos picos ainda mais efetiva, com a consequente diminuição significativa das necessidades de investimento na rede mencionadas anteriormente. Em segundo lugar, essa influência também poderia levar à reconfiguração da curva de carga para além da diminuição dos picos, de forma a otimizar o custo de geração (mudando a demanda da geração de carga do pico para a base). Ainda, ao aumentar bastante a carga em momentos em que haja geração excedente de energia solar ou eólica ou reduzir de forma dramática o carregamento quando a produção de energia renovável estiver baixa, seria possível ajudar a integrar um percentual mais expressivo da produção de energia renovável. Finalmente, ao prestar serviços que respondam à demanda, o carregamento inteligente pode prestar um serviço valioso de equilíbrio do sistema (resposta à frequência).
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A próxima fase de ajuste fino dessa abordagem envolve planos do veículo para a rede (V2G), que não somente desloca dos VEs a demanda por energia, como também torna possível para os VEs devolverem energia à rede em certas circunstâncias. Estudos preliminares mostraram considerável boa vontade, de parte dos donos de carros elétricos, para participar de carregamentos inteligentes coordenados. O valor total criado pode equivaler a centenas de euros por carro elétrico por ano, dependendo das especificidades locais.
Para consolidar esses benefícios, empresas de energia precisarão fazer alguns investimentos antecipados na infraestrutura de carregamento inteligente e trabalhar para obter uma colaboração efetiva dos demais participantes de todo o processo. Mas, uma vez estabelecidas as metas, os VEs deixarão de ser uma preocupação do ponto de vista do sistema de energia. Pelo contrário, eles passarão a ser uma fonte de vantagens, tornando o sistema mais eficaz em termos de custo, bem como mais resiliente e ecologicamente correto.
O aumento esperado no número de veículos elétricos nas ruas cria um desafio para as empresas de energia. Embora os VEs não venham a causar um aumento significativo na demanda por energia até 2030, eles deverão mudar a forma da curva de carga e, com isto, trazer novos pontos de estresse para a rede. As sugestões apresentadas aqui podem ajudar as empresas de energia a superarem esse desafio e a integrarem de forma efetiva um número cada vez maior de VEs, criando assim benefícios substanciais para o sistema de energia como um todo.
